王莊煤礦綜放工作面小煤柱寬度優化分析

楊寶貴 王俊濤 宋曉波 孟秀峰 朱宏宇

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西煤炭管理干部學院，山西省太原市，030006）

王莊煤礦綜放工作面小煤柱寬度優化分析

楊寶貴1王俊濤1宋曉波1孟秀峰2朱宏宇1

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西煤炭管理干部學院，山西省太原市，030006）

根據潞安集團王莊煤礦地質條件，應用理論計算方法計算出了大采高綜放工作面護巷小煤柱的合理寬度。采用三維數值模擬軟件FLAC3D對大采高綜放工作面開采過程進行模擬分析，模擬采用不同寬度小煤柱護巷時在煤柱留設時期和工作面回采時期煤柱受力及巷道變形情況，通過煤柱受力和巷道變形的對比，對小煤柱的寬度進行優化，確定了合理的小煤柱寬度。

綜放工作面 小煤柱寬度 數值模擬 巷道圍巖 圍巖變形

為進一步提高煤炭資源的回收率，潞安集團各個生產礦井開展了厚煤層綜放開采小煤柱留設與支護方面的研究工作，先后在多地實施了小煤柱護巷技術，取得了一定的成果和經驗。但是由于小煤柱護巷巷道的受力環境、受采動影響程度與普通綜放開采不同，小煤柱的穩定性直接關系到沿空巷道的穩定性，故如何合理確定小煤柱寬度，在盡量減少煤損的同時，較好地保持煤柱與巷道的完好和穩定需要深入研究。

1 工程概況

王莊煤礦現生產能力達到710萬t／a，為潞安礦區大型生產礦井之一。研究工作面所采煤層為沁水煤田3＃煤層，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩定，傾角2～6°，總厚為7.07m，平均厚度約6.65m。全煤層含夾矸5層，其中上分層含夾矸2層，下分層含夾矸3層，總厚度0.42m，煤層結構為0.55（0.05）0.29（0.22）3.81（0.02）0.53（0.1）0.8（0.03）0.67，可采指數Km＝1，變異系數為8.42%。

工作面地面標高928～930m，工作面標高656～735m。工作面北面為上區段工作面進風巷，東面是南村小煤礦煤柱，西面為采區帶式輸送機巷和軌道巷，南面為已采工作面。底分層采高3.0±0.1m，循環進度0.8m。該工作面進風巷和回風巷可采長度均為671m，工作面切眼長224m，煤層計算厚度6.65m，容重為1.4t／m3，工業儲量1349354t，設計采出量1254899t，可采期140d。

煤層賦存穩定，地質構造簡單，節理發育；直接頂為砂質泥巖、泥巖；老頂為砂巖、中砂巖；底板為泥巖、砂質泥巖、砂巖。

2 護巷小煤柱寬度理論計算

在小煤柱護巷巷道掘進過程中，考慮煤柱的應力場、位移場的分布特征，煤柱的寬度將會影響巷道的圍巖應力狀態和圍巖的位移場分布，巷道留設成功與否在很大程度上取決于煤柱的寬度是否合理。

由于沿已經穩定的采空區邊緣掘巷，巷道處于應力降低區，對巷道的維護十分有利，但是煤柱的寬度過小將嚴重影響煤柱的穩定性，合理確定小煤柱尺寸時，需遵循以下幾個原則：

（1）使煤柱及巷道處于良好的應力環境中，如布置在應力降低區。

（2）從巷道開挖到變形穩定需要一定的時間。

（3）確保由小煤柱保護的巷道能夠在生產期間保持穩定。

（4）盡可能地減小煤柱的寬度，提高資源利用率。

此次研究采用極限平衡理論相應公式計算確定小煤柱的寬度，小煤柱寬度按式（1）、（2）計算，有關參數參考現場實測數據。

式中：B——小煤柱寬度，m；

φ——煤體的內摩擦角，27°；

x1——煤柱塑性區寬度，m；

x2——錨固深度，1.8m；

x3——附加安全寬度，0.5m；

m——小煤柱維護巷道高度，3.5m；

γ——巖層容重，25kN／m3；

C0——煤體內聚力，2MPa；

A——側壓系數，計算得0.33；

H——巷道埋深，240m；

k——應力集中系數，取2.5；

P0——支護阻力，

將相關的參數帶入式（1）、（2），得小煤柱寬度理論計算值為4.08m。由于計算模型設計時對實際的生產條件進行了一定的簡化，理論計算的數值只能作為工程實踐中選擇煤柱寬度的參考。

3 數值模擬優化分析

根據理論計算部分可知，小煤柱寬度的計算結果為4.08m，上覆關鍵層斷裂線的位置距采空區側煤壁的距離計算公式為：

式中：X0——斷裂線的位置距采空區側煤壁的距離，m；

P1——支架對煤幫的阻力，0.79MPa；

H——巷道埋深，240m；

C0——煤體內聚力，2MPa；

k——應力集中系數，取2.5；

h——煤層開采厚度，6.65m；

f——煤層與頂底板接觸面的摩擦因數，取0.1；

φ——煤體的內摩擦角，27°；

γ——上覆巖層平均容重，25kN／m3；

將相關的參數帶入式（3），得上覆關鍵層斷裂線的位置距采空區側煤壁的距離為5.3m。

研究工作面沿空掘進巷道寬度為4.5m，高度為3.2m，采用全錨網的支護方式。根據現場經驗，留設煤柱的寬度太小，則煤柱的穩定性不能得到保證；由式（3）的計算結果可知，如果煤柱的寬度太大，則上覆關鍵層斷裂線位置位于煤柱的上方，煤柱將承受較大的壓力，煤柱會產生破壞。參照式（1）和式（3）的計算結果，考慮到留設煤柱的穩定性和沿空巷道護巷煤柱的布置盡可能避開斷裂線位置，數值模擬中主要對小煤柱寬度為4m、5m和6m3種情況進行分析。

3.1 模型的建立

FLAC3D是一種用于模擬固體模型力學特性及變形特征的三維數值模擬軟件，通過對模型進行單元劃分，采用三維顯式有限差分法進行分析，可以較好地模擬材料達到屈服極限或強度極限后產生的塑性流動和破壞，尤其適合于模擬分析漸進破壞失穩和變形較大的巖土力學問題。

為了消除邊界效應以及簡化計算，根據地質地形圖、柱狀圖及巖層參數，并結合該礦采煤工作面作業規程，建立的模型x方向（工作面傾向方向）長532m，工作面傾向長224m；y方向（工作面走向方向）長160m，推進長度100m；z方向高71.4m。由于計算模型主要考察回采巷道的圍巖變形和破壞情況，本次研究采用不等分方式對計算模型單元劃分，共劃分出90900個長方體單元和98022個網格點。在模型中限制除了頂面的其余5個方向的位移，同時對模型側面施加水平應力，對模型的上部施加上覆巖層的自重應力，研究范圍內的巖層采用莫爾－庫侖模型。

為了較為系統、合理地研究和模擬下區段工作面護巷小煤柱在掘巷時期和本區段工作面回采時期的力學行為，計算模型及參數的選取應盡可能地符合開采的實際情況，并參考現場提供的資料和有關巖石力學書籍確定相關的參數。此外，模擬計算還涉及一些附加材料，如采空區跨落矸石及支護結構等，根據材料的力學行為和破壞特點及其自身的結構特點，對這些材料的力學參數作了適當調整。經過初始平衡計算，開采區域的原巖應力值約為5.3 MPa。

3.2 計算結果

對于礦山工程來說，從原始平衡狀態直到工作面的開采結束是個動態過程，在這個過程中巖體結構的力學行為除了與結構本身的物理力學特性有關外，與其荷載以及載荷的加載過程具有非常直接的關系。因此，對于礦山工程的巖體結構來說，巖體當前所表現的力學行為既是對過去不同開采時期巖體狀況疊加后的一種綜合反應，也會對將來的開采過程和開采結果產生重要的影響。因此，在對小煤柱的穩定性進行數值模擬時，必須模擬工作面整個開采過程。

數值模擬模型建立后，具體的數值模擬過程為：初始平衡狀態→上區段工作面回采→本區段工作面沿空巷道掘進→本區段工作面回采。每個步驟結束后，進行相應時間步的運算，待狀態平衡后，運用PLOT后處理軟件繪出所需要的圖形并加以分析處理。

通過對王莊煤礦研究工作面開采過程的數值模擬，得出了分別采用寬度為4m、5m和6m的護巷煤柱護巷時，巷道在掘進時期和本區段工作面回采時期的兩幫移近量、頂底板移近量以及小煤柱內的垂直應力分布情況，經過分析繪出相應的曲線圖，如圖1～圖6所示。

4 對比分析

4.1 不同寬度區段煤柱護巷巷道兩幫移近量分析

圖1和圖2分別為掘巷時期和工作面回采時期不同寬度煤柱護巷條件下巷道兩幫移近量曲線圖，掘巷和開采時期巷道兩幫最大移近量見表1。

表1 掘巷和開采時期巷道兩幫最大移近量

在兩個不同的時期，巷道兩幫最大變形都發生在巷幫的中部附近。在工作面回采過程中，由于受到本區段工作面采動影響，巷道兩幫的變形量較大。無論是在巷道留設期間還是在本區段工作面回采期間，采用寬度為5m的煤柱護巷，巷道兩幫產生的變形量相對較小，尤其是在工作面回采期間巷道兩幫的變形較為均勻，相對更易維護。

4.2 不同寬度區段煤柱護巷頂底板移近量分析

圖3和圖4分別為掘巷時期和工作面回采時期不同寬度煤柱護巷條件下巷道頂底板移近量曲線圖，掘巷和開采時期巷道頂底板最大移近量見表2。

在巷道的掘進過程和工作面的回采過程中，巷道頂底板移近量的最大位置均在頂底板的中部附近。在工作面回采過程中由于受到本區段工作面采動的影響，巷道頂底板的移近量較大。分析表2中數據可知，用寬度為5m的煤柱護巷，在兩個不同的時期巷道頂底板產生的變形量相對較小，能夠保證工作面回采的順利進行。

表2 掘巷和開采時期巷道頂底板最大移近量

4.3 不同寬度護巷煤柱內的垂直應力分布分析

圖5和圖6分別為掘巷時期和工作面回采時期不同寬度煤柱護巷條件下小煤柱內的垂直應力分布曲線圖，掘巷和開采時期煤柱內最大垂直應力見表3。

表3 掘巷和開采時期煤柱內最大垂直應力

煤柱內的垂直應力是隨著護巷煤柱的寬度的增大而增大的。根據對工作面未開采之前的原始平衡狀態的模擬，巖層的原巖應力大約為5.3MPa左右，過大的煤柱寬度會使得煤柱內的應力集中系數增大，這對巷道的支護是不利的，所以采用寬度為5m以下的護巷煤柱較為適宜。

通過對比分析可知：由于受到工作面采動影響，工作面回采期間巷道的變形量明顯大于巷道掘進時巷道的變形量，寬度為5m的煤柱能夠在更好地維護巷道穩定的同時，節約支護成本，提高煤炭的采出率。

5 結論

合理的小煤柱寬度應該能夠保證巷道在工作面的整個回采過程中保持穩定。根據對煤柱中產生的巷道圍巖破碎范圍的力學計算，從理論上計算出護巷小煤柱的合理寬度為4.08m。以理論計算的結果為依據，運用FLAC3D數值模擬軟件分別對寬度為4m、5m和6m煤柱護巷下，巷道在掘巷期間和工作面回采期間兩幫移近量、 頂底板移近量以及護巷煤柱內的應力分布進行模擬計算。結合理論計算和數值模擬的結果，王莊煤礦大采高綜放工作面護巷小煤柱的寬度取5m。實踐效果證明，通過注漿加固等支護措施，5m寬的小煤柱能夠在工作面的生產過程中保持穩定，保證工作面生產順利進行。理論計算與數值模擬相結合的方法能夠更為科學、可靠的確定小煤柱的寬度，為今后工作面開采選取小煤柱的寬度提供依據。

［1］ 趙國貞，馬占國，馬繼剛等.復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制研究［J］.中國煤炭，2011（3）

［2］ 李彥群，肖建新，金兆生等.曉明礦提高煤炭資源回收率的作法［J］.中國煤炭，2007（5）

［3］ 王自宏.無煤柱開采技術實踐［J］.礦業安全與環保，2010（S1）

［4］ 吳有增.綜放小煤柱留巷及圍巖控制技術研究［J］.中國煤炭，2010（6）

［5］ 徐信增.綜放面小煤柱護巷技術研究［J］.山東煤炭科技，2010（5）

［6］ 李偉，袁秋新，劉永等.回采巷道小煤柱護巷合理值及合理送巷時間研究［J］.錨桿支護，2011（1）

［7］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京：機械工業出版社，2009

［8］ 柏建彪，侯朝炯，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2004（20）

Optimization of narrow coal pillar width at fully－mechanized caving face of Wangzhuang Coal Mine

Yang Baogui1，Wang Juntao1，Song Xiaobo1，Meng Xiufeng2，Zhu Hongyu1
（1.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shanxi Coal Mining Administrators College，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

Based on the geological conditions of Wangzhuang Coal Mine of Lu’an Mining Industry Group，the reasonable width of narrow coal pillar at fully－mechanized caving face was figured out by the theoretical calculation method.FLAC3D，apopular 3Dnumerical simulation software，was used on the simulation analysis of the whole mining process of fully－mechanized caving with large mining height.The force on the coal pillar and deformation of roadway under pressure was simulated according to different periods of coal pillar setting up and mining at the caving face with the supporting by narrow coal pillars with varied widths.And the reasonable width of narrow coal pillar was optimized and determined.

fully－mechanized caving face，narrow coal pillar width，numerical simulation，surrounding rock，deformation of surrounding rock

TD322

A

楊寶貴（1967－），男，江蘇大豐人，中國礦業大學（北京）副教授，現從事礦山壓力與巖層控制及充填采礦方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）